04 werkstoffe

3 Werkstoffe

3.1 Anforderungen, Einteilung und Werkstoffwahl3.1.1 Anforderungen Federn mssen aus einem geeigneten Werkstoff hergestellt und so ausgelegt und gestaltet werden, dass sie nach Wegnahme einer aufgebrachten Belastung wieder ihre ursprngliche Gestalt bzw. Lage einnehmen. Die dafr verantwortliche Eigenschaft des Werkstoffes ist seine Elastizitt. Sie wird durch den Elastizittsmodul oder Gleitmodul als Verhltnis zwischen Werkstoffbeanspruchung (Spannung) und Verformung (Dehnung bzw. Schiebung) ausgedrckt (s. Tabelle 3.1) und sollte einen mglichst hohen Wert aufweisen. Von Federwerkstoffen wird weiterhin verlangt, dass sie hohe Belastungen ohne bleibende Verformungen ertragen. Sie mssen daher ber eine hohe Elastizittsgrenze verfgen. Da bei den meisten Werkstoffen die Elastizittsgrenze der Zugfestigkeit proportional ist, weisen Federwerkstoffe in der Regel auch eine hohe Zugfestigkeit auf. Schwingend belastete Federn erfordern spezielle Werkstoffeigenschaften. Neben einer hohen Dauerschwingfestigkeit sollten sie eine hohe Zhigkeit sowie Kerb- und Rissunempfindlichkeit besitzen. Sie mssen deshalb ein feinkrniges Gefge aufweisen und frei von Verunreinigungen sein, die die Dauerschwingfestigkeit herabsetzen. Korrosion beeinflusst in erheblichem Mae die Eigenschaften einer Feder. Aus diesem Grunde ist fr viele Anwendungen, insbesondere im Fahrzeugbau, aber auch im Maschinen- und Apparatebau, der Einsatz nichtrostender Werkstoffe erforderlich. Korrosionsschutzanforderungen lassen sich jedoch auch durch eine entsprechende Oberflchenbehandlung (s. Abschn. 2.2.6) erfllen. Werden die Federn bei hohen Betriebstemperaturen verwendet, dann sind hierfr geeignete, d.h. warmfeste Werkstoffe auszuwhlen. Entsprechendes gilt fr einen Einsatz der Federn bei tiefen Temperaturen.

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3 Werkstoffe

Weitere spezielle Anforderungen an Federwerkstoffe knnen sein: elektrische Leitfhigkeit, z.B. bei Kontaktfedern oder weitgehend temperaturunabhngiges Federungsverhalten, z.B fr Messfedern, Antimagnetismus.Tabelle 3.1. Elastizitts- und Gleitmoduln verschiedener Federwerkstoffe_____________________________________________________________________ Werkstoff E-Modul G-Modul Werkstoff E-Modul G-Modul N/mm N/mm N/mm N/mm _____________________________________________________________________ Patentier210900 81400 NiBe 2 196200 74700 ter Draht Contracid 166800 65500 vergtete 206000 78480 Thermelast 206000 78480 Drhte Monel 400 179300 65500 vergtbare 206000 78480 Monel K-500 179300 65500 Sthle Inconel 600 213700 72400 X12CrNi18-8 190300 73575 Inconel X750 213700 72400 X5CrNiMo17-12-2 185400 73575 Duranickel 206800 75800 X7CrNiAl17.7 197200 78400 Elinvar 193000 70500 E-Cu 99,9F37 108000 37000 Nispan C 189600 69000 CuZn36 110000 34300 Iso-Elastic 179300 63500 CuSn 6 bzw. 8 115000 41200 Elgiloy 203400 82700 CuNi 18 Zn20 140000 47100 Safeni 42 C 200000 77000 CuTi 103500 42750 Duratherm 600 220000 85000 CuBe 1,7 135000 50000 Nivarox 190000 65000 CuCoBe 138000 51500 Ti3Al8V6Cr4Mo4Zr 100000 39250 _____________________________________________________________________

3.1.2 Einteilung Als Werkstoffe fr Federn werden sowohl Metalle (Eisen- und Nichteisenmetalle) als auch Nichtmetalle (Gummi, Kunststoffe, Holz, Glas, Flssigkeiten und Gase) eingesetzt (s. dazu Tabelle 1.1). Von den Eisenmetallen finden hauptschlich unlegierte und legierte bzw. rostende oder nichtrostende Sthle Verwendung. Auerdem kommen auch eisenhaltige Nickellegierungen zum Einsatz. Von den Nichteisenmetallen werden vorwiegend Kupferlegierungen als Federwerkstoffe genutzt. Fr die Federherstellung ist auerdem die Einteilung nach Anlieferungszustand in weiche oder federharte Werkstoffe bedeutsam. Denn eine Reihe von Federwerkstoffen ist nur durch Kaltziehen oder Kaltwalzen im Stahlwerk in den federharten Zustand versetzbar. Sie werden dann beim Federnhersteller durch Kaltumformung zu Federn verarbeitet. Bei anderen Werkstoffen, z.B. hrtbaren Federsthlen, ist sowohl eine Verarbeitung aus dem weichen, geglhten als auch aus dem vergteten Zustand mglich.

3.2 Werkstoffarten

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3.1.3 Werkstoffauswahl Die Werkstoffauswahl setzt Grundkenntnisse ber die mglichen Werkstoffarten, ber ihre Eigenschaften sowie ber ihre Herstellung und Verarbeitung voraus. Nheres hierzu ist in den folgenden Abschnitten ausgefhrt. Tabelle 3.2 enthlt als Beispiel einige mgliche Vorschlge zur Stahlauswahl fr Metallfedern.

3.2 Werkstoffarten3.2.1 Federsthle Fr Federn werden sowohl unlegierte als auch niedriglegierte und hochlegierte Sthle eingesetzt. Tabelle 3.3 gibt dazu einen berblick. Zustzlich zum sonst blichen Einsatz erfordert die spezifische Anwendung dieser Sthle fr Federn noch weitere, besondere Eigenschaften, die in Normen (DIN EN 10016, DIN EN 10089 usw.) niedergelegt sind. Bei einem Teil der in Tabelle 3.3 genannten Stahlsorten handelt es sich um bliche Vergtungssthle, deren Eigenschaften hinreichend bekannt sind [12]. Unlegierte Federsthle weisen eine begrenzte Durchhrtbarkeit auf. Sie lsst sich durch die Legierungselemente Chrom, Nickel und Molybdn entscheidend verbessern. Unlegierte Sthle werden deshalb fr kleinere Halbzeugquerschnitte und legierte Federsthle fr grere Querschnitte eingesetzt. Ein spezieller Federwerkstoff ist der aus einfachen, jedoch mglichst reinen unlegierten Sthlen hergestellte patentiert gezogene Draht nach DIN EN 10270-1. Derartige Drhte werden auer fr Federn nur noch in der Verseiltechnik angewendet. Durch eine isotherme Wrmebehandlung, das Patentieren, mit anschlieendem Kaltziehen entsteht ein Draht mit hoher Zugfestigkeit und ausgeprgter Zeilenstruktur in Ziehrichtung, der sich besonders fr biegebeanspruchte Drahtfedern eignet. Er wird aber auch fr torsionsbeanspruchte, statisch belastete Druck- und Zugfedern verwendet. Whrend das Patentieren zunchst nur fr Draht (s. DIN EN 10270-1) entwickelt wurde, ersetzt es heute auch bei der Be- und Verarbeitung anderer Werkstoffe das bisher bliche Rekristallisationsglhen in der Drahtoder Bandfertigung. Patentiert gezogener Federstahldraht nach DIN EN 10270-1 wird in den Sorten SL, SM, SH, DM und DH geliefert, deren Zugfestigkeit in dieser Reihenfolge gestuft ist, wobei die Sorten D bzw. DH die hchsten Werte aufweisen. Trotz der hohen Zugfestigkeit, die dnne Drhte mit Werten Rm > 2000 N/mm besitzen, weisen patentiert gezogene Drhte in der Re-

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gel eine gute Verarbeitbarkeit auf, solange sie nicht erneut wrmebehandelt werden mssen. Denn beim Erwrmen tritt bereits bei niedrigen Temperaturen die sogenannte Reckalterung auf, bei der die Festigkeitseigenschaften zu- und die Zhigkeitseigenschaften abnehmen (s.a. Abschn. 2.3).Tabelle 3.2. Vorschlge fr die Werkstoffwahl bei Metallfedern__________________________________________________________________ Federart Werkstoff bei ______________________________________________________ statischer dynamischer KorrosionsBeanspruchung Beanspruchung beanspruchung __________________________________________________________________ kaltgeformte Federn __________________________________________________________________ Druckfedern patentiert lschlussvernichtrostende Zugfedern gezogene gtete VentilDrhte Drahtform-u. Drhte nach federdrhte DIN EN 10270-3 oder Drehfedern DIN EN 10270-1 DIN EN 10270-2 verzinkt gezogene Federdrhte Drhte DIN EN 10270-2 -------------------------------------------------------------------------------------------------Flachformunlegierte legierte nichtrostende Spiralfedern Bandsthle Bandsthle Federstahlbnder mit Windungs- DIN EN 10132-4 DIN EN 10132-4 DIN EN 10151 abstand -------------------------------------------------------------------------------------------------Spiralfedern vergtete texturgewalzte nichtrostende ohne Winunlegierte Federbnder Federbnder dungsabstand Federbnder hoher Festigkeit -------------------------------------------------------------------------------------------------Tellerfedern Dicke < 6 mm weichgeglhte Bnder aus unnichtrostende bzw. niedriglegierten Sthlen Federbnder Dicke > 6 mm Warmband aus legierten Federhrtbare nichtsthlen rostende Sthle __________________________________________________________________ warmgeformte Federn __________________________________________________________________ Druckfedern gewalzte- oder gezogene Drhte aus legierten Federsthlen ------------------------------------------------------------------------------------------------Blattfedern geglhte oder ungeglhte warmgewalzte Bnder aus legierten Federsthlen ------------------------------------------------------------------------------------------------Drehstabniedrig- und hochlegierte Federfedern sthle __________________________________________________________________

3.2 Werkstoffarten Tabelle 3.3. berblick ber meist verwendete Federsthle

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____________________________________________________________________ Stahlart Stahlsorte Norm Verwendung fr Verarbeitung ____________________________________________________________________ KohlenC 55S,C60S DIN kaltgewalzte Federkalt, stoffbis C85S, EN bnder Hrten mglich sthle C100S 10132-4 ----------------------------------------------------------------------------------C60D bis DIN EN patentiert gezogene kalt C98D2 10016 Drhte DINEN 10270-1 ----------------------------------------------------------------------------------C66D2 bis DIN EN lschlussvergtete kalt C68D2 10016-4 Drhte DIN 17223/2 ____________________________________________________________________ niedrig56Si7 DIN EN kaltgewalzte Federkalt, legiert 75Ni8 10132-4 bnder Hrten mglich 51CrV4 ----------------------------------------------------------------------------------55SiCr6 3 DIN EN lschlussvergtete kalt 67CrV2 10270-2 Drhte DINEN 10270-2 ----------------------------------------------------------------------------------38Si7,56Si7 DIN EN Walzdraht fr warmkalt oder warm, 61SiCr7 10089 geformte Federn, aber Hrten mglich 55Cr3,51CrV4 auch gezogener Draht 52CrMoV4 fr kaltgeformte Federn ____________________________________________________________________ hochX12CrNi18-8 DIN EN kaltgewalzte Federkalt legiert X7CrNiAl17-7 10270-3 drhte und -bnder 10151 ----------------------------------------------------------------------------------X39Cr13 DIN EN kaltgeformte bzw. kalt oder warm, 10151 warmgeformte Drhte Hrten mglich und Bnder ____________________________________________________________________

Diese Alterung luft teilweise bereits bei zu langem Lagern bei Raumtemperatur ab. Sie kann aber zum Teil ebenso schon beim Drahtziehen eintreten, wenn der Draht infolge zu hoher Ziehgeschwindigkeit zu stark erwrmt wird. Gezogener Draht, bei dem bereits beim Ziehen eine Reckalterung erfolgte, eignet sich nicht fr die Federherstellung. Man prft deshalb die Festigkeitseigenschaften gezogener Drhte vor ihrer weiteren Verarbeitung zu Federn. Dazu werden aus einem Drahtbund Proben entnommen, von denen man die eine Hlfte unangelassen und die andere angelassen hinsichtlich ihrer Festigkeitseigenschaften untersucht. Werden bei dieser Untersuchung keine oder nur geringfgige Unterschiede zwischen den Proben festgestellt, so zeigt dieses Ergebnis, dass der Draht schon gealtert ist.

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3 Werkstoffe

Viele Federn eignen sich aufgrund ihrer Gestalt nicht fr eine Oberflchenbehandlung (s.a. Abschn. 2.2.6). Deshalb werden in der Federntechnik schon seit Jahrzehnten oberflchenbehandelte Drhte eingesetzt. Eine Vorzugsstellung besitzt dabei verzinkt gezogener Draht. Er wird im Verlauf seiner Herstellung durch eine Zinkschmelze gezogen, d.h. feuerverzinkt. Beim Fertigziehen wird zwar die Zinkschicht dnner, aber auch fester mit dem Untergrund verbunden. Die erzielbaren Schichtdicken liegen bei 6 bis 18 m (je nach Drahtdurchmesser). Man kann dadurch eine Korrosionsbestndigkeit im Salzsprhtest von mindestens 48 Stunden erreichen. Noch bessere Korrosionsschutzeigenschaften besitzen Drhte, die mit einer eutektischen Zink-Aluminium-Legierung (95 % Zink, 5 % Aluminium - Handelsname Bezinal) berzogen sind. Hier erfolgt zunchst der Korrosionsangriff wie beim feuerverzinkten Draht nur an den Zinkteilchen der Oberflche. Dabei kommt es aber zu einer Aluminiumanreicherung. Die Passivierungseigenschaften des Aluminiums bewirken eine dreifach so gute Bestndigkeit im Vergleich zu feuerverzinkten Drhten [3.3]. Oberflchenbehandelte patentierte Drhte stellen damit eine kostengnstige Alternative zu nichtrostenden Werkstoffen dar. Ein weiterer spezieller Federwerkstoff ist lschlussvergteter Federbzw. Ventilfederdraht. Er ist sowohl aus unlegierten als auch aus niedriglegierten Cr-V- bzw. Si-Cr-Sthlen durch Ziehen herstellbar, wobei am Schluss der Drahtfertigung ein abschlieendes Hrten in l und Anlassen erfolgt, um eine hohe Festigkeit zu erreichen. Der fertige Draht besitzt ein feines Vergtungsgefge ohne besondere Vorzugsrichtung. Er ist fr biege- bzw. torsionsbeanspruchte Drahtfedern gleichermaen geeignet. Whrend unlegierte lschlussvergtete Drhte meist fr Federn mit Betriebstemperaturen von -40 bis 80C verwendet werden, eignen sich CrV- bzw. SiCr-legierte Drhte besonders fr hhere Betriebstemperaturen bis 200C (s.a. Abschn. 3.3.3). Die Unterteilung in Feder- bzw. Ventilfederdrahtsorten bercksichtigt die Besonderheiten der Drahtfertigung und die Verwendung der Drhte zur Herstellung von Federn fr statische sowie mittlere bis hohe dynamische Beanspruchungen. Fr Ventilfederdrhte werden Walzdrhte mit hchstem Reinheitsgrad und verbesserter Oberflchengte ausgesucht. Dazu wird der Walzdraht rissgeprft. Bei Drhten fr hchste Beanspruchungen erfolgt vor dem Ziehen zur Beseitigung von Fehlstellen ein Schlen oder Schleifen des Walzdrahtes (letzteres vorwiegend in den USA). Nach dem sich anschlieenden Ziehen und lschlussvergten, das mit groer Sorgfalt erfolgen muss, wird Ventilfederdraht im Durchlaufverfahren mit Frstersonden auf Lngs- und Querrisse geprft. Vorhandene Fehlstellen mit einer Tiefe grer 40 m werden farblich gekennzeichnet.

3.2 Werkstoffarten

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Beim unlegierten oder legierten, lschlussvergteten Federstahldraht werden in der Regel nicht so hohe Qualittsanforderungen gestellt. Deshalb rechnet man bei diesen Drhten mit einer niedrigeren Dauerschwingfestigkeit als bei Ventilfederdrhten. Patentiert gezogene und lschlussvergtete Drhte eignen sich fr die Herstellung der meisten Drahtfedern wie z.B. Schraubenfedern. Schraubenfedern haben jedoch mitunter ein so kleines Wickelverhltnis oder so komplizierte Endenformen, dass eine Herstellung aus weichgeglhten Drhten notwendig ist. In solchen Sonderfllen werden gut hrtbare Federdrhte aus Stahlsorten eingesetzt, wie sie fr warmgeformte Federn blich sind. Fr warmgeformte Federn (Draht- als auch Bandfedern) haben sich niedriglegierte Sthle nach DIN EN 10089 bewhrt. Je nach den gewnschten Festigkeitseigenschaften kommen in der Regel die lhrtenden Sthle 55Cr3, 61SiCr7, 51CrV4, 52CrMoV4 und 52SiCrNi5 zur Anwendung. Forderungen im Maschinen- und Fahrzeugbau nach Materialeinsparung und Leichtbauweise fhren zwangslufig zu stndig steigenden Anforderungen an die Festigkeitseigenschaften der Federsthle. Whrend patentiert gezogene Drhte bei kleinen Durchmessern Zugfestigkeiten von 2700 bis 3000 N/mm ermglichen, sind fr grere Querschnitte keine vergleichbaren Werte zu erreichen. So ist es beispielsweise nicht mglich, die oben genannten niedriglegierten Sthle ohne groen Verlust der Bruchzhigkeit auf eine Festigkeit ber 2000 N/mm zu vergten [3.9][3.18]. Die Folge davon sind Einschrnkungen in der Anwendung, besonders bei Temperaturen unter -40C. Mitunter werden deshalb fr hochbeanspruchte Federn, z.B. Tellerfedern [3.23], hherlegierte Sthle wie 45CrMoV6.7 oder X41CrMoV5.1 eingesetzt. Eine weitere Mglichkeit besteht im Einsatz martensitaushrtender Sthle wie X1NiCoMoTiAl18-12-4 (sogenannter Maraging-Stahl) [3.31], mit dem man z.B. Festigkeiten um 2600 N/mm erreicht. Hochlegierte Sthle finden ebenfalls als nichtrostende Federsthle Verwendung. Ihre chemische Bestndigkeit beruht auf der Eigenschaft des Legierungselementes Chrom, stabile Schutzschichten zu bilden. Man kann diese Sthle unterteilen in ferritische Chromsthle perlitisch- martensitische, vergtbare Chromsthle und austenitische Chrom-Nickel-Sthle. Fr Federn werden vorwiegend nur Sthle der letzten beiden Gruppen eingesetzt.

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3 Werkstoffe

Hrtbar sind die Chromsthle X20Cr13, X35Cr14 und X39Cr13, wenn auch bei hoher Austenitisierungstemperatur. Die erzielbare Festigkeit liegt zwischen 1200 und 1600 N/mm. Geeignet sind diese Sthle fr Anwendungen in feuchter Luft, Wasser und Wasserdampf. Durch Zulegieren von Molybdn lsst sich die Korrosionsbestndigkeit hrtbarer Sthle weiter verbessern. Deshalb werden fr Federn (meist fr Federn aus Federband) auch die Sthle X39CrMo13 und X35CrMo17 eingesetzt. Die genannten hrtbaren Sthle eignen sich fr Federn, die ihrer speziellen Form wegen nicht aus federhartem Werkstoff, sondern nur aus weichem Draht oder Band hergestellt werden knnen und daher anschlieend noch gehrtet werden mssen. Da ihr Einsatz hhere Werkstoff- und Arbeitskosten verursacht, werden sie dort, wo es mglich ist, durch austenitische Chrom-Nickel-Sthle ersetzt. Diese Sthle erhalten durch Kaltziehen oder Kaltwalzen ihre fr die Federfunktion notwendigen Festigkeitseigenschaften. Sie knnen nur durch Kaltumformung zu Federn verarbeitet werden. Beim Entspannen (Anlassen, Spannungsarmglhen) am Schluss der Federherstellung weisen sie eine Zunahme der Festigkeit auf. Sie werden sowohl fr korrosionsbestndige als auch wrmebestndige Draht- und Bandfedern verwendet (s.a. Abschn. 3.3.2). Eine bersicht ber bekannte nichtrostende Sthle enthlt Tabelle 3.4. Am bekanntesten sind die traditionellen Cr-Ni-Sthle wie X12CrNi18-8. Sie sind bestndig in feuchter Luft oder Wasser. Fr Einstze in Kesselspeisewasser sind jedoch molybdn-legierte Sthle wie X5CrNiMo17-12-2 besser geeignet. Bei bestimmten Anwendungen, wenn Federn beispielsweise Angriffen von kochender Salpetersure oder Oxalsure ausgesetzt sind, neigen die Cr-Ni-Sthle zu interkristalliner Korrosion. Sie wird von rtlichen Chromverarmungen entlang der Korngrenzen verursacht. Fr solche Anwendungsflle eignen sich mit Titan oder Niob stabilisierte CrNi-Sthle (nhere Einzelheiten zur Korrosionsbestndigkeit s. [3.10]). Fr Federn hat sich weiterhin der aushrtbare nichtrostende aluminiumlegierte Stahl X7CrNiAl17-7 durchgesetzt. Seine Eigenschaften hneln denen von X12CrNi18-8 (W.-Nr. 1.4310, s. Tabelle 3.4). Bei einer Anlassbehandlung um 480C zeigt sich aber ein Aushrtungseffekt, der zu hohen Festigkeitseigenschaften fhrt. Fr kaltgeformte Federn sind hhere statische Festigkeit und bessere Ermdungseigenschaften von Bedeutung. Hierzu gab es durch Modifikation der Zusammensetzung vielfltige Weiterentwicklungen. Ein Beispiel dafr ist der nichtrostende Stahl Sandvik 11R 51, mit dem gegenber X12CrNi18-8 (W.-Nr. 1.4310) eine hhere Zug- und Dauerfestigkeit erzielbar ist. Eine andere Modifikation, allerdings zu X7CrNiAl17-7 (W.-Nr. 1.4568), ist das Sandvik-Band 9RU11H, das besonders fr die Herstellung kompliziert geformter Flachformfedern geeignet ist. Es wird im geglhten

3.2 Werkstoffarten

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Zustand geliefert und nach der Kaltumformung durch eine besondere Wrmebehandlung (s. Tabelle 3.5) auf Federfestigkeit gebracht.Tabelle 3.4. bersicht ber nichtrostende Sthle fr Federn____________________________________________________________________ Bezeichnung Werkstoff-Nr. Markenname Zustand Verarbeitung ____________________________________________________________________ X5CrNiMo17-12-2 1.4401 federhart Kaltumformung X7CrNiAl17-7 1.4568 17-7 PH federhart Kaltumformung 9RU10 hnlich dem 1.4568 9RU11H weich Kaltumformung Sandvik Hrtung X12CrNi18-8 1.4310 auch: federhart Kaltumformung Sandvik 11R51 X10CrNiMoTi18-10 1.4571 federhart Kaltumformung X20Cr13 1.4021 weich Kaltumformung Hrtung X39Cr13 1.4031 weich Kaltumformung Hrtung X35CrMo14 7C27Mo2 weich Kaltumformung Sandvik Hrtung X35CrMo17 1.4122 weich Kaltumformung Hrtung X40Cr13 1.2083 weich Kaltumformung Hrtung ___________________________________________________________________

Tabelle 3.5. Wrmebehandlung bei Stahl 9RU11H bzw. X7CrNiAl17.7 nach [3.34]________________________________________________________ Stufe Band 9RU11 H X7CrNiAl17-7 ________________________________________________________ 1 Lieferzustand: geglht Lieferzustand kaltgewalzt 2 Konditionierung des 3 Austenits 1,5h /760C Abkhlen unter 10C innerhalb 1 h Haltezeit mind. 0,5 h Ausscheidungshrtung -

4

Ausscheidungshrtung

480C/1 h 480C/1 h Abkhlen in Luft Abkhlen in Luft _________________________________________________________

Fr manche Einsatzflle der Federn ist der Magnetismus austenitischer nichtrostender Sthle bedeutsam. Im geglhten Zustand sind praktisch alle 18-8-Cr-Ni-Sthle unmagnetisch (Permeabilitt < 1,02). Jedoch durch das

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3 Werkstoffe

zur Verfestigung notwendige Kaltziehen oder -walzen wandelt sich teilweise das Gefge in magnetische Gefgebestandteile um. In Abhngigkeit von der Zusammensetzung, Kaltverformung und Anlassen ergeben sich die in Tabelle 3.6 aufgefhrten Permeabilitten.Tabelle 3.6. Permeabilitt austenitischer nichtrostender Sthle nach Kaltziehen oder walzen_____________________________________

Stahlbezeichnung

Permeabilitt

_____________________________________

X5CrNiMo17-7-2 1,02 bis 1,1 X12CrNi18-8 2 bis 30 X7CrNiAl17-7 30 bis 100 _______________________________

Werden jedoch tatschlich Federn mit einer Permeabilitt < 1,02 verlangt, dann mssen die blicherweise fr Federn nicht verwendeten Stahlgten X10CrNi18-12 (W.-Nr.: 1.3956), X4CrNi18-13 (W.-Nr.:1.3941) oder X8CrMnNi18-8 (W.-Nr.:1.3952) verwendet werden [3.11]. Fr Flachformfedern und Spiralfedern mit Windungsabstand sind zahlreiche spezielle Federsthle entwickelt worden. Im Allgemeinen werden Flachformfedern einfacher Form aus vergteten Federbndern unlegierter Sthle, wie z. B C67S oder C100S, oder legierter Stahlmarken wie 51CrV4 angefertigt. Bei komplizierten Federformen ist eine Verarbeitung von federharten Bndern nicht mglich. In diesen Fllen wird weichgeglhter Bandstahl verwendet. Die Feder muss dann nach der Kaltumformung vergtet werden. Zur Beseitigung der Nachteile dieser Wrmebehandlung erhob sich die Forderung nach Herstellung vergteter Federstahlbnder mit verbesserter Kaltumformbarkeit. Ergebnis der Entwicklung waren zwischenstufenvergtete (bainitgehrtete) Federstahlbnder, wie beispielsweise die Bnder der PT-Gten von der Fa. Brockhaus [3.1][3.30] oder die HARDFLEX-Bnder der Fa. Sandvik. Werkstoffdaten einiger dieser Federbnder enthlt Tabelle 3.7.Tabelle 3.7. Werkstoffdaten zwischenstufenvergteter Federbnder nach [3.1]MarkenStahlsorte Streckgrenze Zugfestigkeit Mindestbruch- Hrte name Re in N/mm Rm in N/mm dehnung 5 in% HRC ____________________________________________________________________ PT 100 CK 45 750-950 900-1150 11 25-34 PT 120 PT 140 CK 60 MK 75 900-1100 1100-1300 1100-1350 1300-1500 10 9 33-40 39-46

PT 150 CK 85 1200-1400 1400-1600 8 42-50 ___________________________________________________________________ 1 PT: Pre-Tempered = vorgehrtet (Stahlsorten entsprechen noch nicht DIN EN 10132-4)

3.2 Werkstoffarten

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Wie aus Tabelle 3.7 hervorgeht, lassen sich nicht so hohe Festigkeiten (Hchstwerte nach DIN EN 10132-4 bis 2000 N/mm) wie mit der blichen martensitischen Vergtung erzielen. Die zwischenstufenvergteten Bnder besitzen aber den Vorteil, dass sie besser biege- und unter Umstnden auch tiefziehfhig sind und daher die Herstellung komplizierter Flachformfedern ermglichen. Abb. 3.1 gibt Anhaltswerte ber die Biegefhigkeit dieser Werkstoffe.

Abb. 3.1. Anhaltswerte fr die Biegefhigkeit von zwischenstufenvergtetem Bandstahl nach [3.1]

Fr Spiralfedern ohne Windungsabstand (Triebfedern und Rollfedern) werden traditionell einerseits vergtete Federbnder aus unlegierten (z.B. C100S) oder niedriglegierten Sthlen (z.B.71 Si 7) mit einer dickenabhngigen Zugfestigkeit von 2200 bis 1700 N/mm eingesetzt. Zum anderen finden kaltgewalzte, nichtrostende Federbnder, hnlich X12CrNi18-8 (z.B. 11R51 der Fa. Sandvik), Verwendung. Bnder aus diesen Werkstoffen eignen sich besonders dann, wenn Ansprche an die Korrosionsbestndigkeit gestellt werden. Auerdem fhrt die durch Kaltwalzen erzielte Faserstruktur zu einer hohen Bruchsicherheit bei Biegebeanspruchung quer zur Walzrichtung. Die Herstellung von Spiralfedern fr Dreipunktsicherheitsgurte fhrte zur Entwicklung neuer Texturfederbnder auf der Basis kostengnstiger unlegierter Sthle [3.13]. hnlich der Herstellung patentiert gezogener Drhte wird dabei das vorgewalzte Band nach dem Austenitisieren bei 450 - 500C isotherm umgewandelt, so dass ein feinlamellares Perlitgefge, das Sorbit, entsteht. Durch anschlieendes Kaltwalzen mit Verformungsgraden von 70 bis 90 % werden die bentigten Festigkeitseigen-

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3 Werkstoffe

schaften erreicht. Die Zugfestigkeitswerte liegen, wie Abb. 3.2 zeigt, noch ber den Werten der auf bliche Weise vergteten Bnder. Nach [3.13] wird mit texturgewalzten Bndern eine wesentlich hhere Bruchsicherheit gegenber der Verwendung vergteter Bnder erzielt.

Abb. 3.2. Zugfestigkeitsbereiche von martensitisch vergteten Federbndern (H+A) und texturgewalzten Bndern Sorbitex bzw. Bainitex nach [3.13].

3.2.2. Nichteisenmetalle Drhte und Bnder aus Kupfer und Kupferlegierungen werden aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfhigkeit (Beispiele s. Tabelle 3.8) vorwiegend fr Federn im Apparatebau, der Feinwerktechnik und der Elektrotechnik eingesetzt. Verbreitet sind Cu-Zn-Legierungen (frher als Messing bezeichnet), Cu-Sn-Legierungen (Bronze) und Cu-Ni-Zn-Legierungen (Neusilber). Ihre Federeigenschaften, die auerordentlich temperaturabhngig sind (s.a. [3.24] und Abschn. 3.3.3), erhalten diese Werkstoffe durch Kaltverfestigung, wobei jedoch die Kennwerte deutlich unter denen von Stahl liegen (s. Tabelle 3.9). Hhere Festigkeitseigenschaften sind mit aushrtbaren Cu-Be-Legierungen erzielbar. Vorteilhaft ist bei diesen Legierungen, dass man sie vor dem Aushrten gut kalt umformen kann und durch das Aushrten eine hohe Elastizitt erreicht. Neben den bekannten Cu- und Be-Legierungen gibt es vielfltige Entwicklungen zur Verbesserung der Leitfhigkeit bzw. der Festigkeitseigenschaften [3.6] [3.24]. Im Allgemeinen verfgen Kupferlegierungen ber eine gute Korrosionsbestndigkeit. Sie sind beispielsweise bestndig gegen Seewasser und einige Suren, werden jedoch von wssrigen Schwefelverbindungen und Halogenen angegriffen. Lediglich in bezug auf Spannungsrisskorrosion sind Bronze und Neusilber Messing vorzuziehen.

3.2 Werkstoffarten Tabelle 3.8. Elektrische Leitfhigkeit von Kupferlegierungen

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___________________________________________________________ Werkstoff elektr.Leit- Werkstoff elektr.Leitfhigkeit in fhigkeit in m/Ohm mm m/Ohm mm ____________________________________________________________ CuZn30 17 CuBe1,7 8-13 CuZn37 15 CuBe2 8-13 CuZn23Al3,5Co 10 CuCo2Be 11-34 CuSn4 11 CuFe2,3PZn 20 CuSn6 10 CuTi2 9,3 CuSn8 9 CuSn1Ni1CrTi 30 CuNi18Zn20 3 CuCr0,3TiSi 45 ___________________________________________________________

Tabelle 3.9. Mechanische Eigenschaften von Drhten4 aus Kupferlegierungen (s.a. DIN 17682)_____________________________________________________________________ Werkstoff Zugfestigkeit BiegewechselVerdrehwechselin N/mm festigkeit in N/mm festigkeit in N/mm _____________________________________________________________________ CuZn36 R700 >700 180200 100120 CuSn6 R900 >900 300320 240250 CuSn8 R900 >900 300320 240250 CuNi18Zn20 R880 >800 ca. 260 ca. 150 CuBe2 R1270 12701490 CuBe2 R1100 11001320 CuCoBe R750 750970 CuCoBe R680 680900 NiBe2 hart 14001600 _____________________________________________________________________ 1 abhngig vom Drahtdurchmesser; 2 unausgehrtet; 3 ausgehrtet; 4 Federbnder aus Cu-Legierungen s. DIN EN 1654

Kupfer- und Berylliumlegierungen sind mit Ausnahme der Legierung NiBe2 und eisenhaltigen Legierungen unmagnetisch. Nickellegierungen sind meist unmagnetisch, besitzen eine hohe Wrmeund Korrosionsbestndigkeit und einen hohen elektrischen Widerstand. Die meisten Ni-Legierungen lassen sich im lsungsgeglhten Zustand kaltverformen und sind aushrtbar. Das Aushrten wird in der Regel an fertigen Federn vorgenommen. In Tabelle 3.10 sind die Festigkeitswerte einiger Nickellegierungen und die der Kobaltlegierung Duratherm, die hufig fr hochwarmfeste Federn verwendet werden, aufgefhrt. Leichtmetalle in Form von Aluminiumlegierungen wurden vielfach fr Federanwendungen vorgesehen, haben jedoch bis heute keine praktische Bedeutung erlangt. Vielversprechender sind Titan-Legierungen, die sich

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3 Werkstoffe

durch ein gnstigeres Festigkeits-Masse-Verhltnis auszeichnen, klteunempfindlich, warmfest sowie korrosionsbestndig sind. Tabelle 3.11 enthlt als Beispiel die mechanischen Eigenschaften der Beta C-Legierung (Ti 3Al 8V 6Cr 4Mo 4Zr) (s.a. [3.36][3.37]).Tafel 3.10. Warmfeste Nickel- bzw. Kobaltlegierungen, Bezeichnungen und Festigkeitswerte_____________________________________________________________________ geschtztes Bezeichnung Werkstoff-Nr. Zugfestiganwendbar bis zu Warenzeichen keit Rm in Temperaturen von N/mm in C _____________________________________________________________________ Inconel X750 NiCr15Fe7TiAl 2.4669 1400 700 Nimonic 90 NiCr20Co18Ti 2.4969 1200 800 Hastelloy C4 NiMo16Cr16Ti 2.4619 800 750 Duratherm CoNiCrMo 1500-2000 500-600 _____________________________________________________________________

Tabelle 3.11. Mechanische Eigenschaften der Beta C-Legierung (Ti 3Al 8V 6Cr 4Mo 4Zr)________________________________________________________________________________

Zugfestigkeit 0,2-Dehngrenze Dehnung E-Modul in N/mm in N/mm % in N/mm ___________________________________________________________________ lsungsge1050 1000 9 85000 glht und ausgehrtet -------------------------------------------------------------------------------------------------kaltver1550 1500 1 105000 festigt und ausgehrtet ___________________________________________________________________

Zustand

3.2.3 Sonderwerkstoffe Federn erfordern oft aufgrund an sie gestellter besonderer Forderungen auch spezielle Werkstoffe. Eine dieser Anforderungen betrifft die Temperaturkonstanz des Elastizitts- bzw. Gleitmoduls bei Federn, die als Verformungskrper fr Aufgaben der Messtechnik eingesetzt werden. Fertigt man beispielsweise Schraubenfedern fr eine Tara-Ausgleichswaage aus patentiert gezogenem Draht mit temperaturabhngigem Gleitmodul, dann verursacht dessen Temperaturgang (s. Tabelle 3.12), dass Eichvorschriften nicht mehr eingehalten werden knnen. Man bentigt also spezielle Werkstoffe mit nahezu temperaturunabhngigem Gleitmodul, um die Funkti-

3.2 Werkstoffarten

67

onsanforderungen erfllen zu knnen. Die Festigkeitseigenschaften und Anwendungstemperaturen derartiger Werkstoffe enthlt Tabelle 3.13. Fr Waagenfedern geeignete Legierungen, wie beispielsweise Safeni, zeichnen sich auerdem durch eine geringe mechanische Hysterese des Werkstoffes aus. Diese betrgt bei blichen Federsthlen etwa 2 % und bei Safeni nach spezieller Wrmebehandlung nur etwa 0,03 %.Tabelle 3.12. Temperaturkoeffizient des E- bzw. G-Moduls verschiedener WerkstoffeWerkstoff Temperaturkoeffizient in 10-6/K _________________________________________________________ Duratherm 600 - 300 Kohlenstoffstahl - 100 CuSn8 - 190 CuBe2 - 180 - 5 bis + 8 Isoelastic Nispan C - 5 bis + 5 Nivarox 3 bis 10 Safeni < - 15 ____________________________________________________________________________________________________________________________

Tabelle 3.13. Festigkeitseigenschaften und Anwendungsgrenzen fr Werkstoffe mit temperaturunabhngigem E- bzw. G-Modul_________________________________________________________ WerkstoffGattung, ZusamZugfestigkeit Anwendungsname mensetzung in N/mm temp.in C _________________________________________________________ Elinvar Ni-Fe-Cr 1380 -50 bis +150 Nispan C Ni-Fe-Cr-Ti 1380 - 2480 -50 bis +150 Ni-Fe-Cr-M0 > 1170 Isoelastic Ni-Fe-Cr-Co 1440 -400 bis +400 Dynavar Nivarox Fe-Ni-Cr-Ti 1350 -40 bis + 100 Safeni 43C Ni-Fe-Cr-Ti-Co > 1500 -45 bis + 65 _________________________________________________________

Auch andere spezielle Eigenschaften von Werkstoffen knnen fr Federn ausgenutzt werden. So weisen einige spezielle Ni-Ti-, Cu-Zn-Al- und Cu-Al-Ni-Legierungen einen Formgedchtnis-Effekt auf [3.26][3.29]. Dieser beruht auf reversiblen temperaturabhngigen nderungen vom martensitischen in den austenitischen Gefgezustand. Die nderungen finden im Temperaturbereich zwischen -150 und + 150C statt und knnen zur Beeinflussung der Federarbeit herangezogen werden. Am bedeutendsten sind hierbei Ni-Ti-Legierungen (Warenzeichen NITINOL bzw. TINEL). Ihre Wirkung soll am Beispiel von Schraubenfedern aus TINEL nach[3.27]

68

3 Werkstoffe

aufgezeigt werden. Abb. 3.3 enthlt die Federkennlinie einer Schraubenfeder bei 20C bzw. 80C. Bei Raumtemperatur liegt ein martensitischer Gefgezustand vor, und der Gleitmodul ist niedrig. Wird die Feder ber die Umwandlungstemperatur erwrmt, dann wird der austenitische Zustand erreicht, und der Gleitmodul nimmt dadurch einen wesentlich hheren Wert an.

Abb. 3.3. Federkennlinie von Schraubendruckfedern aus einer Ni-Ti-Legierung in Abhngigkeit vom Zustand (austenitisch bei 80C; martensitisch bei 20C) nach Stoeckel [3.27] Abmessungen: De = 5,6 mm; d = 0,7mm; L0 = 34,6 mm und n = 19)

Abb. 3.4 zeigt die Wirkungsweise des Regelvorganges mit einer Zugfeder aus einer Memory-Legierung. Aufgrund des niedrigen Gleitmoduls im martensitischen Zustand tritt eine groe Lngennderung bis zum Punkt (C) auf. Wird die Feder ber den Umwandlungspunkt erwrmt, dann nimmt die Steifigkeit zu und die Kraft- Weg-Kennlinie verluft von (A) nach (B), d.h., die Zugfeder hebt die Masse M an. Praktische Anwendungen von Formgedchtnis-Legierungen findet man in vielen Technikbereichen, beispielsweise in der Regelungstechnik fr Fensterffner, Stellglieder oder thermostatische Steuerventile sowie in der Verbindungstechnik als Schrumpfringe und Steckverbinder.A B CF

Bl1

Austenit

C

l2

F0 = 0

M

F1 ; F2

Martensit

F1

M F2 F0

A l1 l2 l

Abb. 3.4. Wirkungsweise von Zugfedern aus NiTi-Legierungen an Hand des LastVerlngerungs-Diagramms nach [3.26].

3.3 Einflsse auf das Federungsverhalten von Metallfedern

69

Fr das temperaturabhngige Wirken von Federn werden auer Memory-Legierungen auch Thermobimetalle verwendet. Sie sind Verbundwerkstoffe, die aus zwei fest miteinander verbundenen Metallbndern mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Dadurch erfhrt eine ebene Feder aus Thermobimetall bei Erwrmung eine Krmmung. Um eine hohe Formnderung bei Erwrmung zu erreichen, wird als passive Komponente eine Fe-Ni-Legierung mit niedrigem Ausdehnungskoeffizient (ca. 1,210-6/K) und als aktive Schicht eine solche mit hohem Ausdehnungskoeffizient (11 bis 1910-6/K) angewendet. Tabelle 3.14 enthlt die Daten blicher Thermobimetalle nach DIN 1715.Tabelle 3.14. Kennwerte ausgewhlter Thermobimetalle nach DIN 1715 Thermobi- Spezifische Linearittsmetallmarke thermische bereich, Ausbiegung Temperatur in 10-6K-1 in C TB 1577B 15,5 -20...+200 TB 1555 15,0 -20...+200 TB 1511 15,0 -20...+200 TB 1170B 11,7 -20...+380 TB 1109 11,5 -20...+380 TB 0965 9,8 -20...+4251

Anwendungsgrenze, Temperatur in C 450 450 400 450 400 450

Elastizittsmodul E bei 20C in kN/mm 170 170 165 170 165 175

Zulssige Biegespannung b zul in N/mm 250 200 200 250 200 200

zwischen 20 und 100C

3.3 Einflsse auf das Federungsverhalten von Metallfedern3.3.1 Entstehen und Wirken von Eigenspannungen Der Zusammenhang zwischen der sich bei Belastung der Federn im Werkstoff einstellenden Spannungen ist ber das Hookesche Gesetz gegeben. Die Elastizittstheorie stellt die entsprechenden Beziehungen dazu bereit. Erfolgt aber die Belastung ber den Gltigkeitsbereich des Hookeschen Gesetzes hinaus, dann kommt es auch zu plastischen Verformungen. Da die Kaltformgebung der Federn immer mit einer Werkstoffbeanspruchung in plastischen Verformungsbereichen verbunden ist, verbleiben Eigenspannungen (innere Spannungen) im Federwerkstoff zurck. Federwerkstoffe sind aber bereits durch die Kaltformgebung bei der Halbzeugfertigung mit Eigenspannungen behaftet. Alle diese Eigenspannungen berlagern sich, falls sie nicht durch irgend eine Behandlung beseitig wurden,

70

3 Werkstoffe

den ueren Beanspruchungen und knnen somit zu einer Vergrerung oder Verkleinerung der Federbeanspruchung fhren. Man unterscheidet vier Arten von Eigenspannungen [3.22]. Fr Federn sind diejenigen I. Art bedeutsam, die ber makroskopische Bereiche annhernd konstant sind. Sie sollen im Folgenden nher betrachtet werden. Eigenspannungen entstehen durch die unterschiedlich hohen elastischen und plastischen Verformungsanteile der einzelnen Werkstoffbereiche. Am Beispiel der Kaltumformung eines Drahtes zu einer Schraubenfeder soll ihr Entstehen dargestellt werden. Abb. 2.17 (Abschn. 2.2.1, S. 25) zeigte bereits die Belastungsspannungen beim Biegen des Drahtes und die nach der Rckfederung entstandenen Eigenspannungen. Es treten auen Zugspannungen und innen Druckspannungen auf. Die nach der Verformung stattfindende elastische Rckfederung fhrt aufgrund der unterschiedlichen Belastung in den einzelnen Werkstoffbereichen zu den dargestellten Eigenspannungen als Differenz zwischen Rckfederungsspannungen und Belastungsspannungen. An der Auenseite liegen nun Druckeigenspannungen und an der Innenseite Zugeigenspannungen vor. Die Gre der beim Biegen bzw. Wickeln von Federn entstehenden Eigenspannungen hngt von vielen Faktoren ab. So wirken sich beispielsweise die Hhe der Streckgrenze, der Verformungsgrad sowie der Verfestigungsmechanismus des Werkstoffes auf den sich nach der Umformung einstellenden Eigenspannungszustand aus. Die Vorhersage der absoluten Hhe von Eigenspannungen erfordert deshalb umfangreiche Untersuchungen der eingesetzten Werkstoffe und Technologien. Eigenspannungen entstehen nicht nur bei der Kaltumformung der Halbzeuge zu Federn, sondern sie sind oft schon im angelieferten Draht oder Band, selbst bei schlussvergtetem, wie Abb. 3.5 beweist, vorhanden.

Abb. 3.5. Eigenspannungs-Tiefenprofil von lschlussvergtetem Ventilfederdraht nach [2.69] (Drahtauenseite = Auenseite des Coils usw.)


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Eigenspannungen lassen sich aber auch gezielt durch eine Oberflchenverdichtung (Oberflchenverfestigung) bei Anwendung geeigneter Verfahren (z.B. Kugelstrahlen) erreichen. Abb. 2.26 zeigt die sich nach [2.69] ergebenden Vernderungen der Eigenspannungen durch das Kugelstrahlen. Die dabei entstehenden Druckeigenspannungen ben bei vielen Federn einen gnstigen Einfluss auf die Lebensdauer aus (s.a. Abschn. 2.2.4). Eine weitere Mglichkeit der Eigenspannungserzeugung besteht im Vorsetzen (Plastizieren). Diese Behandlung wurde als eine Art Training der Federbelastung eingefhrt, um eine Relaxation whrend des Betriebszustandes in Grenzen halten zu knnen (s.a. Abschn. 2.2.5). Wird bei der Vorbelastung einer Feder die Elastizittsgrenze berschritten, dann tritt in Abhngigkeit vom Betrag der Spannungsberschreitung eine bleibende Formnderung auf und nach Entlastung ergeben sich infolge der elastischen Rckfederung Eigenspannungen, die bei spterer Belastung die Werkstoffbeanspruchung verringern. Eigenspannungen knnen durch eine Erwrmung abgebaut werden. So werden durch ein Anlassen (Spannungsarmglhen bei niedriger Temperatur) nach dem Federwickeln die mit dieser plastischen Verformung entstandenen Eigenspannungen, wie Abb. 2.22 zeigt, wesentlich verringert. Wird jedoch das Spannungsarmglhen bei 550 bis 650C durchgefhrt, dann wird ein vollstndiger Eigenspannungsabbau erreicht. Das gleiche trifft zu, wenn die Federn auf Hrtetemperatur erwrmt werden. Zur Messung bzw. Ermittlung von Eigenspannungen gibt es verschiedene Methoden (s. Peiter [3.22]), die jedoch fr Federn nicht verwendbar sind. Geeignet ist das Rntgendiffraktometer-Verfahren. Es geht davon aus, dass ein auf die Metalloberflche fallender Rntgenstrahl an Netzebenen des Kristallgitters reflektiert wird. Der Reflexionswinkel ndert sich je nach Gre der plastischen Verformung, die zu einer Vergrerung oder Verkleinerung des Gitterebenenabstands fhrt. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt in der Regel in Form von Polardiagrammen [3.19][3.35]. Eigenspannungen beeinflussen in Abhngigkeit ihrer Verteilung die Funktion der Feder. Nur in Anwendungsfllen, bei denen die auftretende Werkstoffbeanspruchung weit unter der zulssigen liegt, wirken sich Eigenspannungen kaum aus. Das hngt natrlich auch von der Feder- und Herstellungsart ab, so dass sich ber den Einfluss von Eigenspannungen nur eine allgemeine Regel aufstellen lsst: Erfolgt die Federbelastung in derselben Richtung wie bei der Herstellung (Kaltumformung), dann mindern die vorhandenen Eigenspannungen die Belastungsspannungen, im umgekehrten Falle erhhen sie diese.

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3 Werkstoffe

Bei kaltgeformten Schraubenfedern liegen nach dem Wickeln (bzw. Winden) und Anlassen Eigenspannungen vor, wobei sich an der Windungsinnenseite Zugeigenspannungen und an der Windungsauenseite Druckeigenspannungen einstellen. Sie beeintrchtigen die Schubelastizittsgrenze und damit die statische und dynamische Belastbarkeit. Bei Druckfedern, insbesondere Ventilfedern, bemht man sich deshalb, die Zugeigenspannungen durch Anlassen bei hchstmglichen Temperaturen weitestgehend abzubauen. Auerdem bringt man durch Kugelstrahlen, Kalt- oder Warmvorsetzen weitere Eigenspannungen in die Werkstoffoberflche ein, um eine die Werkstoffbeanspruchung begnstigende Eigenspannungsverteilung und damit eine Verbesserung der Funktionseigenschaften der Feder zu erreichen [2.69][3.35]. Bei Zugfedern knnte eine gnstige Eigenspannungsverteilung ebenfalls durch Vorsetzen erreicht werden. Da die meisten Zugfedern mit einer inneren Vorspannkraft gewickelt werden, geht jedoch bei dieser Behandlung ein Teil der eingewickelten Kraft verloren. Andererseits ist auch die Hhe der einwickelbaren Vorspannung begrenzt, wodurch dem Vorsetzen bei Schraubenzugfedern Grenzen gesetzt sind. Bei kaltgeformten Drehfedern und Spiralfedern liegen selbst nach einem Anlassen noch Eigenspannungen vor. Sie mindern die Belastbarkeit dieser Federn, wenn die Belastung in Wickelrichtung (Herstellungsrichtung) erfolgt, wie Abb. 3.6 zeigt.

Abb. 3.6. Belastungsspannungen beim und Eigenspannungen nach dem Biegen eines Drahtes

Abb. 3.7. Eigenspannungsverteilung bei vergteten und kalt vorgesetzten Tellerfedern nach Hertzer [3.7]


73

In Abb. 3.7 ist der durch Vorsetzen von Tellerfedern erzielbare Eigenspannungszustand dargestellt. Danach liegen groe Zugeigenspannungen an der inneren Oberkante der Tellerfeder vor, die die hohen Druckspannungen bei Federbelastung mindern knnen. Gering sind jedoch die an der inneren oder ueren Unterkante vorhandenen Druckeigenspannungen. Sie knnen zur Verbesserung der Funktionseigenschaften wenig beitragen. Hhere Druckeigenspannungen sind jedoch mit einer Kugelstrahlbehandlung oder durch Warmsetzen erzielbar. Bei Drehstabfedern spielen die Eigenspannungsverhltnisse eine besondere Rolle. Drehstbe werden entweder nur in einer Richtung schwellend oder in beiden Drehrichtungen wechselnd beansprucht. Bei schwellend belasteten Drehstabfedern ist ein Vorsetzen in Richtung der spteren Beanspruchung zweckmig, wodurch funktionsgnstige Eigenspannungen erzielt werden (s. Abb. 2.28 und 2.29). Solche Federn mssen mit der Vorsetzrichtung gekennzeichnet werden. Bei wechselnd beanspruchten Drehstben hat Vorsetzen natrlich keinen Sinn [6]. 3.3.2 Kriechen und Relaxation [3.32] Abb. 3.8 zeigt die Vernderung der Lnge Lo einer Druckfeder nach mehreren Belastungen. Durch das berschreiten der Elastizittsgrenze tritt eine bleibende Verformung auf, die sich in einem Sitzenbleiben der Feder, d.h., in einer nderung der Lnge L0 der unbelasteten Feder auswirkt. Der Betrag der nderung nimmt mit dem Ma des berschreitens der Elastizittsgrenze zu (s.a. Abschn. 2.2.5). Von Einfluss sind weiter die Art der Belastung (statisch oder dynamisch), die Zeitdauer (kurzzeitig oder andauernd) und die Temperatur (s. Abschn. 3.3.3).

Abb. 3.8. Lngennderung einer Druckfeder nach mehreren Belastungen

Als Grenze, bis zu der kein Setzen auftritt, gilt in der Regel die technische Elastizittsgrenze (Rp 0,01-Grenze oder 0,04-Grenze). Dabei ist zu-

74

3 Werkstoffe

nchst zu beachten, dass vorhandene Eigenspannungen u.U. die rechnerisch unter der Elastizittsgrenze liegenden Belastungsspannungen zustzlich vergrern knnen. Dadurch kann eine andere Spannungsverteilung entstehen. Zum anderen ist natrlich die unter Abschn. 3.3.1 genannte Regel ber die Auswirkung von Eigenspannungen nur annhernd gltig. Die meisten Federwerkstoffe sind nicht ideal elastisch, sondern enthalten schon bei kleinen Beanspruchungen (Schubspannungen von etwa 300 N/mm) neben elastischen Verformungen als dem Hauptanteil einen kleinen Anteil plastischer Verformungen, der mit den blichen Prfmitteln nicht messbar ist. Diese Erscheinung ist bei den meisten Federn technisch ohne Bedeutung. Sie muss nur bei Federn beachtet werden, die fr messtechnische Aufgaben vorgesehen sind. Kriechen und Relaxation sind Erscheinungen bei andauernden statischen Belastungen von Federn, die zu zeitbedingten Vernderungen der Federungswerte (F; s) fhren. Das Kriechen einer Feder kann als die zeitliche nderung der Federmae aufgefasst werden, die sich beim Einwirken einer konstanten Kraft und damit konstanten Spannung ergibt. Am Beispiel des Kriechversuches an einer Druckfeder (Abb. 3.9) uert sich das bei konstanter Belastung, die ber einen lngeren Zeitraum einwirkt, in einer Lngennderung (z.B. der Lnge L1 ) und der nderung der Lnge L0 der ungespannten Feder. Der zeitliche Verlauf der nderungen ist in Abb. 3.10 dargestellt.

Abb. 3.9. Schematische Darstellung der Federbelastung beim Kriechversuch

Abb. 3.10. Kriechkurve einer Druckfeder, bezogen auf die Lngen L0 undL1 bei einer Belastung nach Abb. 3.9

Ob sich die Kriechkurve asymtotisch einem Grenzwert nhert oder nicht, hngt von der Hhe der Belastung, der Prftemperatur und dem Werkstoff ab. Liegt die Beanspruchung in der Nhe der Elastizittsgrenze und tritt keine wesentliche Vernderung der Raumtemperatur auf, dann


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kann sich die Kriechkurve asymptotisch einem Grenzwert nhern. Zur Ermittlung des Kriechbetrags legt man die Parameter Belastung, Temperatur und Zeit fest und ermittelt diesen Wert aus der Differenz der Lnge L0 zur Zeit t = 0 und t = tx zu L = L0 L0(tx) bzw. durch Messen der Lnge L1 ber Kriechen = ( L1100 %)/s1 . (3.2) (3.1)

Die prinzipielle Vorgehensweise bei Relaxationsuntersuchungen von Federn zeigt Abb. 3.11. Die Feder wird auf eine bestimmte Lnge lagekonstant vorgespannt. Dabei wirkt am Anfang die Kraft F1 , die eine bestimmte Spannung in der Feder verursacht. Bei andauernder Belastung sinkt die Kraft und damit auch die Spannung ab. Lediglich das Einspannma (Lnge der gespannten Feder) bleibt konstant. In Abhngigkeit von Temperatur, Hhe der Anfangskraft und Zeit findet hier ein Kraftabfall statt, der zu einer nderung der Federdaten im Vergleich zum ungespannten Zustand fhrt. Die Gre der Relaxation ergibt sich aus Werten der Kraftvernderung zwischen den Zeitpunkten t = 0 und t = tx aus Relaxation = ( F100 %)/F1 . (3.3)

Abb. 3.11. Schema der Dauerbelastung einer Feder mit konstanter Einspannlnge

Abb. 3.12. Verlauf der Federkraft bzw. der Relaxation (1) bei einer Zugfeder aus patentiertem Draht der Sorte C DIN 17223 (jetzt SH DIN EN 10270-1) (Abmessungen: 2,8 x 25 x 32; L1 = 363 mm)

Abb. 3.12 enthlt als Beispiel die Relaxationskurve einer Zugfeder bei kurzzeitiger (etwa fnfmintiger) Belastung. Die Relaxation ist danach

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3 Werkstoffe

noch nicht zum Stillstand gekommen. Man muss deshalb den Versuch ber eine grere Zeitdauer fortfhren. Als weiteres Beispiel enthlt Abb. 3.13 den Relaxations-Zeit-Verlauf fr Druckfedern aus patentiertem Draht bei 150C und verschiedenen Anfangsspannungen. Daraus ist zu erkennen, dass mit steigender Anfangsspannung die Relaxation zunimmt und dass sich die Kurve asymptotisch einem Grenzwert nhert.

Abb. 3.13. Relaxations-Zeit-Verlauf von Druckfedern aus patentiertem Draht bei 150C nach O`Malley [3.15]

3.3.3 Einfluss der Arbeitstemperatur3.3.3.1 Einflsse durch erhhte Arbeitstemperaturen

Es ist allgemein bekannt, dass die Neigung der Federn zu Relaxation mit steigender Arbeitstemperatur zunimmt. Bei Arbeitstemperaturen um 120C kann sie nicht mehr vernachlssigt werden. Weniger bekannt ist aber, dass sie sich bei unlegierten Federsthlen bereits bei relativ niedrigen Arbeitstemperaturen und mittleren Spannungen auszuwirken beginnt, wie Abb. 3.14 zeigt. Druckfedern weisen beispielsweise schon bei einer 48stndigen Beanspruchung mit einer Schubspannung von 800 N/mm und einer Arbeitstemperatur von 40C eine Relaxation von 6 % auf. Allgemein ist festzustellen, dass die Funktionstchtigkeit von Federn bei hheren Arbeitstemperaturen nur fachgem beurteilt werden kann, wenn Relaxations-Spannungs-Schaubilder fr die entsprechenden Werkstoffe vorliegen. In den Abb. 3.15 bis 3.18 sind diese fr die wichtigsten Federwerkstoffe dargestellt.


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Abb. 3.14. Relaxation von Druckfedern aus Federstahldraht Sorte C, vorgesetzt bei Raumtemperatur, in Abhngigkeit von der Schubspannung nach 48stndiger Belastung14 % 240C 12 10 200C 12 10 120C 80C 14 % 240C 200C 160C

Relaxation

8 6 4

Relaxation

160C 120C 80C

8 6 4

2 0 500

2 0 500

600

700

N/mm

900 k

1000

600

700

N/mm

900 k

1000

Schubspannung

Schubspannung

Abb. 3.15. Relaxation von Druckfedern aus lschlussvergtetem SiCrVentilfederdraht, vorgesetzt bei Raumtemperatur, nach 300 h; [3.34] (Drahtdurchmesser d = 3,85 mm)

Abb. 3.16. Relaxation von Druckfedern aus lschlussvergtetem CrV-Ventilfederdraht, vorgesetzt bei Raumtemperatur, nach 300 h; [3.34] (Drahtdurchmesser d = 3,85 mm)

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3 Werkstoffe11 10 % 81mm/160C

7 66mm/160C1mm/120C

Relaxation

5 46mm/120C1mm/80C

36mm/80C

21mm/20C

1 0 06mm/20C

200 400 Schubspannung

600 800 vor Beginn der Relaxation

N/mm

1200

Abb. 3.17. Relaxation von Druckfedern aus nichtrostendem Federstahldraht X12CrNi18-8 nach 48 h (Parameter: Drahtdurchmesser/Arbeitstemperatur)51mm/240C

%6mm/240C

31mm/160C

Relaxation

26mm/160C

16mm/80C 1mm/80C

0 0

200

400

600

800

N/mm

1200

Schubspannung

vor Beginn der Relaxation

Abb. 3.18. Relaxation von Druckfedern aus nichtrostendem Federstahldraht X7CrNiAl 17-7 nach 48 h

Eine allgemeine Aussage fr die Temperaturgrenzen der einzelnen Federwerkstoffe, die in Verbindung mit den Relaxations-SpannungsSchaubildern zu sehen ist, enthlt Tabelle 3.15.


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Tabelle 3.15. Grenztemperaturen fr den Einsatz metallischer Federwerkstoffe bei minimaler Relaxationserwartung________________________________________________________________________________

Werkstoff

Maximale Arbeitstemperatur in C bei hoher Belastung niedriger Belastung warmgesetzt --------------------------------------------------------------------------------------------------Patentierte Drhte 60-80 80-150 150 FD CrV 80-120 120-160 200 FD SiCr 80-120 120-160 200 X12CrNi18-8 160 200 350 X7CrNiAl17-7 200 250 400 CuZn30 40 60 CuSn 6 80 100 CuNi18Zn20 80 120 CuBe2 80 120 Monel 400 150 200 Inconel X-750 475 550 Nimonic 90 500 500 Duratherm 600 500 600 ___________________________________________________________________

Neben der Relaxation treten bei hheren Arbeitstemperaturen auch Vernderungen des Elastizittsmoduls und des Gleitmoduls auf, die sich auf die Funktionsparameter der Federn auswirken. Die Abb. 3.19 und 3.20 zeigen fr verschiedene Werkstoffe den Temperatureinfluss auf diese Werkstoffgren.

Abb. 3.20. nderung des G-Moduls mit steigender Temperatur bei verschiedenen Werkstoffen Abb. 3.19. nderung des E-Moduls verschiedener Werkstoffe in Abhngigkeit von der Temperatur

Wenn auch aus praktischen Grnden die Prfung der Federkraft bzw. des Federweges bei Raumtemperatur erfolgt, so kann jedoch der Konstrukteur aus der Kenntnis dieser Vernderung die tatschlichen Verhltnisse bei hherer Arbeitstemperatur berechnen.

80

3 Werkstoffe

3.3.3.2 Verhalten bei tiefen Arbeitstemperaturen [3.18][3.33]

Unter der Raumtemperatur liegende Arbeitstemperaturen sind bei Federn hufig anzutreffen. Sie treten sowohl beim Einsatz der Maschinen und Aggregate in arktischen Klimazonen, in Khlanlagen oder in der Umgebung tiefgekhlter Medien (flssiger Gase) als auch bei Einstzen im Weltraum auf. Dabei mssen oft Temperaturen bis zu -200C ertragen werden. Viele Federwerkstoffe, insbesondere ferritische und martensitische, reagieren empfindlich auf ein Absinken der Arbeitstemperatur. Sowohl die Zugfestigkeit als auch die Elastizitts- und Streckgrenze nehmen dabei zwar zu, doch die Zhigkeitseigenschaften wie Brucheinschnrung oder Bruchdehnung nehmen ab. Die Temperaturempfindlichkeit eines Werkstoffes lsst sich am besten an der Vernderung der Kerbschlagzhigkeit demonstrieren (Abb. 3.21). Tritt bei einer Temperatur ber 0C beim Kerbschlagbiegeversuch ein Verformungsbruch auf (Abb. 3.21, Kurve 2), so stellt sich bei tiefen Temperaturen ein Sprdbruch ein. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass er an einer Kerbe beginnt, die eine Beanspruchung in drei Ebenen erzeugt. Der bergang vom Verformungs- zum Sprdbruch kann pltzlich oder in einem Temperaturbereich erfolgen. Im Gebiet des Steilabfalls der Kerbschlagzhigkeit (Kurve 2) treten Mischbrche mit unterschiedlichen Anteilen von Zh- und Sprdbruch auf. Der Fall einer geringen Temperaturempfindlichkeit, die beispielsweise bei austenitischen Sthlen oder Kupferlegierungen vorliegt, wird durch die Kurve 1 in Abb. 3.21 demonstriert. Die Eignung von Federwerkstoffen zum Einsatz bei tiefen Temperaturen soll an nachfolgenden Beispielen gezeigt werden.Abb. 3.21. Kerbschlagzhigkeits-TemperaturKurven 1- geringe Temperaturempfindlichkeit z.B. bei austenitischen Sthlen o. Kupferlegierungen; 2- Steilabfall der Kerbschlagzhigkeit innerhalb eines kleinen Temperaturbereichs, z.B. bei unlegierten oder niedriglegierten vergteten Sthlen

Patentiert gezogene Drhte zeigen (s. Abb. 3.22) bei einer Temperaturvernderung von 23C auf -60C einen etwa 6 %igen Anstieg der Zugfestigkeit, whrend die Bruchdehnung um 13 % und die Brucheinschnrung um 9 % abnimmt. Die Elastizittsgrenze verluft proportional der Zugfestigkeit, so dass die Gefahr von Setzerscheinungen bei tiefen Temperaturen gering ist. Der Einfluss von Kerben wurde im Rahmen von Kerbschlagbiegeversuchen [3.33] an Proben, die der DVM-Kleinprobe nach DIN 50115


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hnlich sind, untersucht. Die in Abb. 3.23 dargestellten Ergebnisse dieser Untersuchungen an patentierten Federstahldrhten der Sorten A und B zeigen zunchst bei abnehmenden Temperaturen einen Anstieg der Kerbschlagzhigkeit und spter einen Abfall der Werte, whrend sich bei Drhten der Sorte C ein stetiger Abfall ergibt. Eine bergangstemperatur vom Verformungs- zum Sprdbruch und ein Steilabfall der Kerbschlagzhigkeit konnten nicht festgestellt werden.

Abb. 3.22. nderung der Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Brucheinschnrung von patentiert gezogenem Federstahldraht Sorte C beim Abkhlen von Raumtemperatur auf -60C nach [3.33]

Abb. 3.23. Kerbschlagzhigkeit in Abhngigkeit von der Temperatur bei patentiert gezogenen Drhten (Drahtdurchmesser d = 5 mm) [3.33]

Den Darlegungen ist zu entnehmen, dass patentiert gezogene Federdrhte durchaus bis -60C verwendet werden knnen. Nach Nichols [3.20] gilt diese Empfehlung auch fr verzinkt gezogene Drhte. In Abb. 3.24 sind die Kerbschlagzhigkeitsergebnisse fr einen vergteten Draht der Stahlsorte Mk 73 dargestellt. Es zeigt sich, dass zunchst bei Raumtemperatur eine wesentlich geringere Zhigkeit als bei patentiert gezogenen Drhten vorliegt. Mit einer Temperaturminderung sinkt auch die

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3 Werkstoffe

Zhigkeit geringfgig ab, ohne dass ein Steilabfall zu verzeichnen ist. Aus diesen Untersuchungen lsst sich ableiten, dass Federn aus kerb- unempfindlichen Werkstoffen bis zu Temperaturen von -60C einsetzbar sind. Das Zhigkeits-Temperatur-Verhalten einiger niedriglegierter Federsthle ist in Abb. 3.25 dargestellt. Zwischen Raumtemperatur und der 0Grenze ist zunchst ein steilerer Abfall der Kerbschlagzhigkeit zu verzeichnen, der sich dann verlangsamt. Ein Steilabfall ist bis -60C ebenfalls nicht erkennbar, so dass allgemein keine Bedenken bestehen, diese Werkstoffe bis -60C anzuwenden.Nm/cm Nm/cm Oteva 62

60 40 20 0 80

Kerbschlagzhigkeit a k

Kerbschlagzhigkeit a k

60 Oteva 70 40 20 0 80

38Si6 60 40 20 0 20 C 40

60

40

20

0

20 C 40

Temperatur

Temperatur

Abb. 3.24. Kerbschlagzhigkeit in Abhngigkeit von der Temperatur bei vergteten Drahtproben aus Federstahl Mk 73 (Drahtdurchmesser d = 5,5 mm)

Abb. 3.25. Kerbschlagzhigkeit niedriglegierter Federsthle in Abhngigkeit von der Temperatur

Hrtbare nichtrostende Federsthle, wie z.B. X20Cr13, knnen, auch wenn sie martensitischer Struktur sind, bis -80C verwendet werden. Fr noch tiefere Temperaturen (bis -200C) eignen sich die austenitischen CrNi-Sthle, wobei die aushrtbaren Sthle, wie X7CrNiAl17-7, gegenber Sorten mit hherem Austenitgehalt eine grere Neigung zu Versprdung bei tiefen Temperaturen aufweisen. Kupferlegierungen sind allgemein klteunempfindlich, whrend bei Nickellegierungen ebenfalls wenig Bedenken gegen einen Tieftemperatureinsatz bestehen. Tabelle 3.16 gibt Empfehlungen fr einen Tieftemperatureinsatz hufig verwendeter Federwerkstoffe. Da Federn fr gezielte elastische Verformungen konstruiert werden, sind Sprdbrche bei Tieftemperaturanwendungen selten. Allgemein ist zu beachten, dass die Oberflchenbeschaffenheit von groer Bedeutung ist. Oberflchenfehler, wie Riefen, Schnittgrat, Bearbeitungsspuren, sind mglichst zu vermeiden. Ungnstig sind Spannungskonzentrationen, die bei Endenabbiegungen an Zug- oder Drehfedern auftreten knnen. Bruchge-


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fhrdet sind auch Flachform- oder Spiralfedern aus geschnittenen Bndern. Zur Senkung der Bruchgefahr sind Bnder mit Natur- oder gerundeten Kanten anzuwenden. Galvanische Beschichtungen knnen die Versprdungsgefahr erhhen. Alle Risiken kann man vermeiden, wenn austenitische Cr-Ni-Federsthle verwendet werden.Tabelle 3.16. Empfehlungen fr den Tieftemperatureinsatz von FederwerkstoffenWerkstoff Patentiert gezogener Federstahldraht Unlegierter vergteter Ventilfederdraht Legierter Ventilfederdraht (51CrV4, 55SiCr6) Unlegierter und niedriglegierter Federbandstahl Nichtrostende Federsthle X20Cr13 und X35CrMo17 Austenitische Sthle X12CrNi18-8 und X7CrNiAl17-7 Cu-Legierungen Ni-Legierungen Ti-Legierungen1

Anwendungstemperatur in C ohne Bedingungen mit Einschrnkungen -60 (-80) -200 -60 (-80) -200 -60 (-80) -30 -80 (-130) -200 -200 -100 -253 -200 -60 -200, -273 -273 -200 -

fr stationre und quasistationre Belastung; 2 bei groem Reinheitsgrad des Werkstoffes, feinem Vergtungsgefge und sorgfltiger Oberflchen- und Kantenausfhrung

3.3.4 Einflsse auf die Dauerschwingfestigkeit Auf die Dauerschwingfestigkeit von Federsthlen wirken sich zahlreiche Einflsse aus. Gravierende Minderungen der Dauerschwingfestigkeit werden durch Verunreinigungen im Werkstoff, Kerben, Grate und andere Oberflchenverletzungen sowie Korrosion und Fehler bei der Wrmebehandlung hervorgerufen. Verunreinigungen, die vom Stahlherstellungsprozess herrhren, fhren zu Einschlssen, die bruchauslsend sein knnen, wenn sie sich in oberflchennahen Schichten (50 bis 300 m Tiefe) befinden. Weiter von der Oberflche entfernt, sind diese Einschlsse weniger gefhrlich, da in Richtung der Werkstoffmitte (Querschnittsmitte) bei den meisten Federn die Werkstoffbeanspruchung abnimmt.

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3 Werkstoffe

Groe Auswirkungen auf die Dauerschwingfestigkeit hat die Oberflchengte. Viele Bandfedern erfordern eine kleine Oberflchenrautiefe, weil allgemein mit steigender Rautiefe die Biegewechselfestigkeit abnimmt (Abb. 3.26) [3.14].St70.11 ungehrtet m (R VCMo140 vergtet m (R 750 N/mm) 970 N/mm) bW

0,5

Biegewechselfestigkeit Zugfestigkeit R m

0,4

0,3 0 10 20 m 30

Rauhtiefe in Lngsrichtung R t

Abb. 3.26. Einfluss der Oberflchenrauheit auf die Biegewechselfestigkeit von Sthlen nach Krickau [3.14]

Bei der Herstellung von Federdrhten bzw. Federbndern knnen die unterschiedlichsten Fehler auftreten, wie Oberflchenfehler, Wrmebehandlungsfehler, Quer- oder Lngsrisse, Zunder, Rost u.a., die die Funktion der Feder beeintrchtigen knnen. Sehr oft sind diese Fehler die Ursache fr einen Dauerbruch. So fhren Lngsrisse bei dauerbeanspruchten Federn schon bei kleinen Hubspannungen zum Bruch. Deshalb empfiehlt es sich, bei rissanflligen Drhten (z.B. austenitischen nichtrostenden Drhten) am Ende der Drahtherstellung eine zerstrungsfreie Rissprfung durchzufhren Bei Ventilfederdrhten nach DIN EN 10270-2 ist sogar eine zerstrungsfreie Prfung auf Oberflchenfehler vorgeschrieben. Die bei der Verarbeitung von Draht auftretenden Oberflchenfehler sollten eine Gre von 40 m nicht berschreiten. Die bei der Federherstellung entstehenden Fehler, wie z.B. Riefen beim Federwickeln/-winden, Kerben beim Anbiegen von Zugfedersen oder beim Fertigen von Drehfederenden, Kerben bzw. Grat bei der Flachformfederherstellung wirken sich auf Funktion und Lebensdauer der Federn aus, besonders dann, wenn an diesen Stellen Zugspannungen wirken. Von einer durchgefhrten Wrmebehandlung herrhrende Fehler, wie Kornvergrberung beim Hrten, Randentkohlung, ungengender Eigenspannungsabbau beim Anlassen sind unbedingt zu vermeiden.

3.4 Werkstoffdaten fr den Entwurf

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Ungnstig wirken sich auch Versprdungen aus, die beim Beizen oder Galvanisieren entstehen. Bei dauerschwingbeanspruchten Federn vermeidet man heute diese Arten des Oberflchenschutzes. Mitunter werden die Enden von Federn aus federharten Werkstoffen, beispielsweise von Spiralfedern, ausgeglht oder mit anderen Teilen verschweit. In diesen Fllen besteht die Gefahr, dass ungnstige Gefge (ungleichmiger Gefgebergang, Neuhrtezonen) entstehen, die bei Belastung zu Rissen oder Brchen fhren knnen. Korrosionsangriff mindert die Dauerschwingfestigkeit in erheblichem Mae, so dass meist keine Dauer- sondern nur noch eine Zeitfestigkeit zu erreichen ist. Auch Eigenspannungen, die in Lastrichtung vorhanden sind, knnen sich dauerfestigkeitsmindernd auswirken [3.12][3.16][3.17][3.19][3.21]. In den Randschichten der Federwerkstoffe vorhandene kleinere Fehler lassen sich durch eine Oberflchenverfestigung kompensieren. Ziel ist es dabei, Druckeigenspannungen bis in mglichst groe Tiefen zu erzielen (s. Abschn. 2.2.4). Neben Werkstoff- und Herstellungseinflssen sind natrlich eine Vielzahl konstruktiver Faktoren, wie Gestaltung der Federnenden fr Befestigungen bzw. Aufnahmen der Federn und Oberflchenschutz wichtig, wenn eine hohe Lebensdauer erzielt werden soll.

3.4 Werkstoffdaten fr den EntwurfDie Basis fr den Federentwurf unter Annahme stationrer Belastungsverhltnisse bilden die in den einschlgigen Normen angegebenen Mindestwerte der Zugfestigkeit. Werte fr die Streckgrenze oder die Federbiegegrenze sind nicht immer vorhanden. Zu beachten ist allerdings, dass die Zugfestigkeitswerte federharter Werkstoffe von den Querschnittsabmessungen der Halbzeuge, vom Festigkeitszustand, von der Temperatur und von zahlreichen anderen Einflussgren abhngen, die in diesem Kapitel behandelt wurden. Deshalb stellen die in Tabelle 3.17 fr ausgewhlte Federwerkstoffe angegebenen Zugfestigkeitswerte sowie auch die Werte fr den E-Modul und den G-Modul nur Richtwerte dar. Fr Nachrechnungen sind die in den angefhrten Normen enthaltenen, fr den vorliegenden Halbzeugquerschnitt zutreffenden Werte der Zugfestigkeit heranzuziehen. Die Berechnung der zulssigen Spannung erfolgt nach den in Kapitel 2 und Kapitel 4 fr die jeweilige Feder angegebenen Beziehungen.

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3 Werkstoffe

Nachrechnungen schwingend (nichstationr) beanspruchter Federn sind unter Verwendung der in den Normen angegebenen Dauerfestigkeitswerte vorzunehmen.Tabelle 3.17. Festigkeitseigenschaften ausgewhlter Federwerkstoffe im angegebenen Abmessungsbereich (Mindestwerte der Zugfestigkeit und Mittelwerte fr den E- und G-Modul bei 0 = 20C) a) FederstahldrhteWerkstoffbezeichnung und DIN-Nr. Runder Federstahldraht, patentiert gezogen DIN EN 10270-1 Festigkeitszustand SL Zug-, Druck-, Dreh- u. federFormfedern mit niedrig. hart stationrer Belastung SM Zug-, Druck-, Dreh- u. federFormfedern mit mittl. hart stationrer und geringer dynamischer Belastung DM/SH Zug-, Druck-, Dreh- u. federFormfedern mit hoher hart stationrer und geringer dynamischer Belastung federDH Zug- und Druckfedern mit hoher stationrer u. hart mittlerer dynamischer, Dreh- und Formfedern mit hoher stationrer u. dynamischer Belastung FDC Alle Arten von Schrau- federbenfedern mit mittlerer hart bis hoher Belastung vergt. FDCrV Vorzugsweise torsions- federbeanspruchte Federn bei hart hheren Temperaturen vergt. FDSiCr Vorzugsweise torsions- federbeanspruchte Federn bei hart hheren Temperaturen vergt. TDC/ Ventilfedern fr hohe federVDC dynamische Torsionsbe- hart anspruchung bei Raum- vergtemperatur tet TDCrV/ Ventilfed. fr sehr hohe federVDCrV dynamische Torsionsbe- hart anspruchung, Betriebs- vergtemperaturen bis 80C tet TDSiCr/ Ventilfed. fr sehr hohe federVDSiCr dynamische Torsionsbe- hart anspruchung + Betriebs- vergtemperaturen bis 100C tet Drahtsorte Verwendungszweck Rm min in N/mm 1520 1320 1060 1980 1760 1400 1020 1840 1660 1490 1160 2660 2230 1980 1740 1410 1160 1720 1400 1250 1790 1480 1400 2000 1710 1550 1850 1670 1520 1390 1910 1770 1520 1390 2080 2010 1760 1670 E in kN/mm 206 G in kN/mm 81,5 Fr Abmessungsbereich in mm 1 d= 2 2

04 werkstoffe

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